Multiple light scattering in porous gallium phosphide
Résumé
This thesis presents an experimental study on multiple light scattering, with the necessary introductions: theoretical background and sample preparation. The emphasis is put on the effects of the multiple scattering of waves, i.e., where interference effects exist and are significant, in the search for Anderson localization.
In ensemble-averaged random media, there exists a cone of light, superimposed on the diffuse background, in the exact backscattering direction, due to the constructive interference of time-reversed paths. This enhanced backscattering cone gives information about the multiple scattering, and localization. The regime of multiple light scattering is studied in a porous semiconductor, gallium phosphide (GaP), known at present as the strongest scattering material for visible light. The effective refractive index of strongly-scattering porous GaP samples is determine through an angular-resolved transmission technique. Such a refractive index in the strong scattering regime does not follow the effective medium theories.
The most strongly scattering samples, close to the expected transition to the localization regime, still follow perfectly the diffusion results. The macroscopic anisotropy of the porous samples is studied, using stationary and dynamic techniques. In these samples light diffuses further and faster along the pores, than against. Porous GaP displays both strong scattering and strong anisotropy.
In the last part, the subject of the full capture of a light pulse inside a short cavity is considered. By dynamically adapting the reflectivity of the input coupler to the shape of the incident pulse, the light reflected from the cavity can be made to vanish by destructive interference. When no light is reflected off the cavity, all the incident power is coupled inside the cavity, within a single mode of narrow bandwidth. Both theory and measurements support the proposed scheme.
In ensemble-averaged random media, there exists a cone of light, superimposed on the diffuse background, in the exact backscattering direction, due to the constructive interference of time-reversed paths. This enhanced backscattering cone gives information about the multiple scattering, and localization. The regime of multiple light scattering is studied in a porous semiconductor, gallium phosphide (GaP), known at present as the strongest scattering material for visible light. The effective refractive index of strongly-scattering porous GaP samples is determine through an angular-resolved transmission technique. Such a refractive index in the strong scattering regime does not follow the effective medium theories.
The most strongly scattering samples, close to the expected transition to the localization regime, still follow perfectly the diffusion results. The macroscopic anisotropy of the porous samples is studied, using stationary and dynamic techniques. In these samples light diffuses further and faster along the pores, than against. Porous GaP displays both strong scattering and strong anisotropy.
In the last part, the subject of the full capture of a light pulse inside a short cavity is considered. By dynamically adapting the reflectivity of the input coupler to the shape of the incident pulse, the light reflected from the cavity can be made to vanish by destructive interference. When no light is reflected off the cavity, all the incident power is coupled inside the cavity, within a single mode of narrow bandwidth. Both theory and measurements support the proposed scheme.
Cette thèse présente une étude expérimentale sur la diffusion multiple de la lumière, avec les nécessaires introductions : bases théoriques et préparation des échantillons. L'emphase est placée sur les effets de la diffusion multiple d'ondes, où les effets d'interférence existent et sont significatifs, dans la recherche pour la localisation d'Anderson.
En réflection des milieux désordonnés soumis au moyennage d'ensemble, il existe un cone de lumière, superposé au fond diffusé, dans la direction exacte de rétrodiffusion, dû à l'interférence constructive des chemins réciproques. Ce cone de rétrodiffusion cohérente donne des informations sur la diffusion multiple et la localisation. Le régime de diffusion multiple de la lumière est étudié dans un semiconducteur poreux, le phosphure de gallium (GaP), connu à présent comme le materiau le plus fortement diffuseur de la lumière visible. L'indice de réfraction effectif des échantillons très diffusants de GaP poreux est determiné par une technique de transmission résolue en angle. Un tel indice de réfraction dans le régime de diffusion forte ne s'accorde pas aux théories connues de milieu effectif.
Les échantillons les plus fortement diffuseurs, proche de la transition attendue vers le régime de localisation, sont toujours parfaitement décris par les résultats du régime de diffusion. La diffusion macroscopiquement anisotrope de ces échantillons poreux est étudiée, par des techniques stationaires et dynamiques. Dans ces échantillons, la lumière diffuse plus vite et plus loin le long des pores, qu'à travers eux. Le GaP poreux montre en même temps une forte diffusion et une forte anisotropie.
Dans une dernière partie, le sujet de la capture totale d'une impulsion lumineuse dans une courte cavité optique est considérée. En adaptant de façon dynamique la réflectivité du miroir d'entrée à la forme temporelle de l'impulsion incidente, la lumière réfléchie par la cavité peut être complètement annulée par interférence destructive. Alors qu'aucune lumière n'est réfléchie par la cavité, toute la puissance incidente est couplée à l'intérieur de la cavité, n'excitant qu'un seul mode de petite largeur spectrale. Aussi bien la théorie que les mesures expérimentales supportent le processus proposé.
En réflection des milieux désordonnés soumis au moyennage d'ensemble, il existe un cone de lumière, superposé au fond diffusé, dans la direction exacte de rétrodiffusion, dû à l'interférence constructive des chemins réciproques. Ce cone de rétrodiffusion cohérente donne des informations sur la diffusion multiple et la localisation. Le régime de diffusion multiple de la lumière est étudié dans un semiconducteur poreux, le phosphure de gallium (GaP), connu à présent comme le materiau le plus fortement diffuseur de la lumière visible. L'indice de réfraction effectif des échantillons très diffusants de GaP poreux est determiné par une technique de transmission résolue en angle. Un tel indice de réfraction dans le régime de diffusion forte ne s'accorde pas aux théories connues de milieu effectif.
Les échantillons les plus fortement diffuseurs, proche de la transition attendue vers le régime de localisation, sont toujours parfaitement décris par les résultats du régime de diffusion. La diffusion macroscopiquement anisotrope de ces échantillons poreux est étudiée, par des techniques stationaires et dynamiques. Dans ces échantillons, la lumière diffuse plus vite et plus loin le long des pores, qu'à travers eux. Le GaP poreux montre en même temps une forte diffusion et une forte anisotropie.
Dans une dernière partie, le sujet de la capture totale d'une impulsion lumineuse dans une courte cavité optique est considérée. En adaptant de façon dynamique la réflectivité du miroir d'entrée à la forme temporelle de l'impulsion incidente, la lumière réfléchie par la cavité peut être complètement annulée par interférence destructive. Alors qu'aucune lumière n'est réfléchie par la cavité, toute la puissance incidente est couplée à l'intérieur de la cavité, n'excitant qu'un seul mode de petite largeur spectrale. Aussi bien la théorie que les mesures expérimentales supportent le processus proposé.
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